Одна из важных задач устройств релейной защиты состоит в максимально раннем обнаружении аварии, которая начинается, как правило, с потери прочности витковой изоляции, с целью снижения степени повреждения трансформатора и затрат на его ремонт.
Для предотвращения ложных срабатываний в современных цифровых устройствах релейной защиты применяется метод торможения срабатывания и метод блокирования срабатывания защиты. Для реализации этих методов используются отличительные признаки полезных и мешающих сигналов, действующих на входе устройств дифференциальной защиты. В качестве отличительных признаков используются коэффициенты формы кривых и спектральный состав сравниваемых токов [1].
В методе торможения, предотвращение необоснованного срабатывания защиты осуществляется путем загрубления уставки. Для дифференциальных реле на основе процентной характеристики торможение срабатывания при обнаружении второй или пятой гармоник тока осуществляется согласно формуле [5]:
(1)
где, 
– дифференциальный ток, 
, 
– вторая, пятая гармоники дифференциального тока, 
– ток торможения, 
, 
– коэффициенты пропорциональности, 
– наклон процентной дифференциальной характеристики, рассмотренной в главе 3.
Структурная схема реле с торможением по второй и пятой гармонике показана на рисунке 1. В общем случае для идентификации токов включения с последующим торможением проверяется содержание в дифференциальном токе не только второй, но и более высоких четных гармоник.
Рис. 1. Логическая схема дифференциального элемента со сдерживанием
по второй и пятой гармоникам
Метод торможения основан на изменении параметров зависимой уставки срабатывания, используемой в основном алгоритме. В методе блокирования для предотвращения необоснованных срабатываний используется независимый алгоритм обнаружения ложных дифференциальных токов, формирующий сигнал запрета на срабатывание зашиты [6].
Как правило, цифровые дифференциальные реле трансформаторов используют алгоритм блокирования по второй и пятой гармоникам, выраженных в относительных единицах. В качестве базовой величины используется амплитуда основной гармоники. Дифференциальное реле выдает команду на блокирование, если выполняются условия:
(2)
(3)
Значение коэффициента 
принимается равным 0.15–0.2. Значения коэффициента 
зависит от условий возникновения токов включения, мощности силового трансформатора и других факторов. Наиболее вероятное значение составляет 0.3. В качестве уставки принимаются значения 
[5].
При выборе метода блокирования по второй гармонике необходимо учитывать неравномерность распределения относительных амплитуд этой гармоники по фазам, а также случаи, когда значение параметра оказывается весьма малым 0,07-0,17. Для повышения надежности срабатывания используют принцип перекрестного блокирования, усреднение амплитуд по фазам, использование комбинированного метода определения токов включения по амплитудному критерию и углу сдвига фаз между токами пятой и первой гармоник.
В соответствии с принципом перекрестного блокирования трехфазные дифференциальные реле блокируют срабатывание, если хотя бы в одной из фаз имеет место амплитудное условие существования второй гармоники.
Принцип усреднения гармоник заключается в суммировании амплитуд вторых гармоник фаз, нормировании этой суммы относительно амплитуд первых гармоник каждой из фаз и сравнении результатов с уставкой. Этот подход повышает безопасность в случаях, когда контроля гармонического состава в одной или двух фазах не достаточно, чтобы заблокировать срабатывания реле. Структура алгоритма, построенного на принципе усреднения, показана на рисунке 2.
Рис. 2. Структура алгоритма блокирования на основе принципа усреднения
Уставка срабатывания выбирается относительно наибольшего значения суммированного сигнала. Например, если для индивидуального канала используется уставка 12%, то в случае суммирования амплитуд уставка берется 17%. Чувствительность реле в случае подключения поврежденного трансформатора к сети сохраняется, поскольку амплитуда основной гармоники в поврежденной фазе существенно превышает сумму вторых гармоник фаз.
На рисунке 3. представлена работа алгоритмов на основе перекрестного блокирования и принципа усреднения.
Рис. 3. Динамика показателя блокирования при использовании алгоритма
перекрестного блокирования и блокирования на основе усреднения вторых гармоник по фазам
Как видно из графиков оба алгоритма обеспечивают блокирование срабатывания защиты, но при этом значения показателя содержания второй гармоники в алгоритме усреднения существенно превышают значения показателя алгоритма перекрестного блокирования.
Проблема подобных алгоритмов состоит в том, что для построения эффективных защит необходимо обеспечение высоких показателей быстродействия. Поскольку защита должна обеспечивать отстройку от возможных случаев ложных срабатываний, за это время защита должна выделить аварийный сигнал на фоне сигнала помех и принять решение об отключении. Вычисление процентного состава гармонических составляющих в дифференциальном токе требует определенного времени. Поэтому отключение/блокирование дифференциальной защиты должно быть задержано на время, обычно превышающее период сетевого напряжения. При этом время срабатывания защиты по условию предотвращения расплавления замкнувшегося витка должно составлять 5-14 мс [1].
Выполнение подобных требований для современных дифференциальных защит на основе тормозной характеристики для дифференциальных токов не осуществимо без потери чувствительности [2]. Задача повышения чувствительности и быстродействия дифференциальной релейной защиты требует обоснования информативных параметров сигналов для систем релейной защиты, разработки алгоритмов обнаружения внутренних повреждений и задания критериев срабатывания дифференциальной защиты трансформатора. Примером таких информативных параметров являются амплитудно-фазовых соотношений между токами обратной последовательности [3].
Для снижения времени обработки сигналов целесообразно рассмотреть возможность использования алгоритма оптимальной фильтрации на базе фильтра Калмана. За счет использования априорной информации о процессе данный алгоритм позволяет снизить время необходимое для определения типа переходного процесса до 8-10 мс [4].
Таким образом, для построения быстродействующей дифференциальной защиты целесообразно использовать схему перекрестного блокирования с использованием фильтра Калмана для снижения время оценки спектрального состава сигнала.
Иванченко Даниил Иванович,
кандидат технических наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики
Литература
- Александров А. М. Дифференциальные защиты трансформаторов: учебное пособие. − СПб.: ПЭИПК, 2011, 223 c.
- Иванченко Д. И., Шонин О. Б. Дифференциальная защита силовых трансформаторов на базе токов обратной последовательности и фильтра Калмана // Сборник трудов 11-ой международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» // Воркута, 2013, C.412-416
- Иванченко Д. И., Шонин О. Б. Идентификация межвитковых замыканий силового трансформатора на основе анализа амплитудно-фазовых соотношений между токами обратной последовательности // Записки горного института т.196// СПб.: Изд-во СПГГУ, 2012, C.240 -243
- Иванченко Д. И., Шонин О. Б. Использование фильтра Калмана в цифровой дифференциальной защите силовых трансформаторов // Записки горного института т.195// СПб.: Изд-во СПГГУ, 2012, C.255 -258
- Guzmán A., Zocholl S., Altuve H. Performance analysis of traditional and improved transformer differential protective relays. USA, SEL Paper, 2000, 162-171 pp.
- Kasztenny B.; Kezunovic M.; An Improved Transformer Inrush Restraint Algorithm, Computer applications in power, IEEE, Vol. 11, No:4, Oct. 1998, 39 – 45 pp.
